CN111971584A - 导航卫星时间系统及其自主恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导航卫星时间系统及其自主恢复方法，包括载荷时间系统，载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，载荷时间系统包括星载原子钟、时频处理单元及多个载荷时间备份模块，载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；载荷时间的秒脉冲信号由星载原子钟和时频处理单元产生和维持；当时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态：时频处理单元比较多个载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，以执行载荷时间的恢复。实现在卫星受到干扰或故障且地面无法控制卫星的情况下，卫星能够通过优先级选择从载荷时间备份模块、星间链路时间或平台中自主快速恢复时间信息，保证授时功能的稳定性和可靠性，提高卫星系统的生存能力。

Description

导航卫星时间系统及其自主恢复方法

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，特别涉及一种导航卫星时间系统及其自主恢复方法。

背景技术

随着信息时代的发展，时间信息几乎是所有行动的基础，各行各业如电力、通信、金融、信息化作战等都需要精确的时间，授时方法包括短波/长波授时、卫星授时和网络授时等，卫星授时的精度最高，地面接收机接收导航卫星的授时信息，以实现时间统一。美军于2017年提出“授时战”概念，通过更多的防护防御工作，提高、维护、维持授时资源，这更说明了授时功能的重要性。然而，若导航卫星自身出现授时错误，会导致严重的服务错误。如欧洲伽利略卫星曾出现在轨18颗运行的卫星中有9颗出现了原子钟故障，导致系统停止运行，印度IRNSS卫星导航系统出现60％的原子钟故障，面临无法提供数据的困难。

授时是导航卫星的关键服务功能，卫星面临越来越复杂的空间环境，如受到电磁干扰时，卫星与地面运控系统链路被动中断，使卫星在较长一段时间内无法恢复正常的时间同步功能，从而无法实现卫星正常授时服务。为保证卫星授时的稳定和可靠，增强卫星导航系统的生存能力，卫星时间系统需具备自主维持和恢复的功能。卫星时间系统的自主维持是指在无地面站控制的情况下，卫星的自主守时能力，国内外许多学者做了大量研究，主要有通过时间尺度算法、加权平均算法等方法来建立数学模型，或者通过星间双向测距、数据交换等不断修正卫星时钟参数。目前，新一代北斗导航系统具备自主运行60天的能力。但卫星时间的自主恢复方法研究的较少，尤其是导航卫星系统处于境外时，一旦出现时频相关单机故障，导致时间信息完全丢失，在没有地面站的情况下，无法进行即时恢复，此时时间及位置信息紊乱，地面终端利用该情况下的导航数据将造成严重后果；而且等待卫星到达境内通过地面站上注信号所需时间长达数小时，该段时间内无法满足正常使用需求，对于军事及民用来说都将造成无法估量的影响。

卫星时间系统包括载荷时间系统和平台时间系统，正常在轨运行中，卫星首先通过地面站获取基准时间信息，然后平台与载荷时间实时同步以维持平台时间系统精度。载荷时间系统的建立包括三个方面：基准频率信号的产生，精密时间间隔的分发，时间信息的播发。基准频率信号由星载原子钟产生，GPS/北斗等导航卫星配置3～4台钟，其中1台为工作原子钟，1台为热备钟，精密时间间隔分发由时频处理单元完成，时间信息的播发由信号处理单元完成。目前卫星时间自主恢复仅仅针对原子钟的故障而设计，即当工作钟发生故障后，能够自主、无缝切换到热备钟上，基准频率主备份切换后的相位跳变优于20ps，用户无法感知。然而时间系统除了原子钟，还包括时频处理单元、信号处理单元和平台时间系统等，缺乏基于整星的时间自主恢复方法。当卫星处于无地面站控制的自主运行模式时，时频处理单元异常会导致卫星载荷需要重新启动建立时间信息，时间信息从零开始，只能等待地面人工干预实施时间恢复，目前工程中没有卫星时间系统自主故障检测及异常恢复机制。

因此，亟需一种快速的时间恢复方法，在卫星受到空间复杂环境或元器件故障影响下，能够迅速恢复到故障前的时间系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导航卫星时间系统及其自主恢复方法，以实现卫星受到干扰或故障且地面无法控制卫星的情况下，快速恢复载荷时间，保证授时功能的稳定性和可靠性，提高卫星系统的生存能力。

本发明的目的还在于提供一种导航卫星时间系统及其自主恢复方法，以实现卫星能够通过优先级选择从载荷时间备份、星间链路时间或平台中自主快速恢复时间信息，保证授时功能的稳定性和可靠性，提高卫星系统的生存能力。

为解决上述技术问题，本发明提供一种导航卫星时间系统，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括星载原子钟、时频处理单元及多个载荷时间备份模块，其中：

载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；

载荷时间的秒脉冲信号由所述星载原子钟和所述时频处理单元产生和维持；

所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步；以及

当所述时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，其中所述一级恢复状态包括：

由所述时频处理单元比较多个所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，并执行载荷时间的恢复，其中所述恢复包括：

由所述时频处理单元调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述载荷时间系统还包括多个载荷单元，每个所述载荷时间备份模块均位于所述载荷单元之一中；

所述载荷时间的秒脉冲信号由所述载荷单元进行备份，包括：

由所述时频处理单元将所述载荷时间的秒脉冲信号及时间信息分发给所述载荷单元；以及

由所述载荷单元接收，并将所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步并将所述载荷时间备份模块的时间信息和秒脉冲信号反向传输至所述时频处理单元。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述载荷单元包括：

上行注入接收单元，其被配置为接收地面站时间的时间信息；

信号处理发播单元，其被配置为通过导航电文播发所述载荷时间的时间信息及钟差信息；以及

完好性监测单元，其被配置为监测所述载荷时间的时间信息及秒脉冲信号是否完好与准确，其中当上行注入接收单元、信号处理发播单元及完好性监测单元中任意两个单元反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲信号以执行载荷时间的恢复。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述导航卫星时间系统所在的卫星位于一星座内，所述星座还包括其他卫星，其中在正常情况下，所述星座内的各个卫星的载荷时间一致，所述载荷时间均为星座时间，所述星座时间与所述地面站时间同步；

当所述时频处理单元发生故障且无法进入一级恢复状态时，触发二级恢复状态，所述二级恢复状态包括：

由所述导航卫星时间系统获取所述星座时间作为恢复后的载荷时间；以及

由所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述二级恢复状态被触发的条件为所述时频处理单元和所述载荷时间备份模块均不能产生、维持或备份正确的时间信息，且无法通过自备份的方式恢复所述载荷时间。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述导航卫星时间系统还包括平台时间系统，所述平台时间系统包括实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块用于产生和维持所述平台时间；

所述平台时间的时间信息从地面站时间中获取；

所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号；

当所述时频处理单元发生故障，且无法进入一级恢复状态和二级恢复状态时，触发三级恢复状态，所述三级恢复状态包括：所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，其中利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时；

所述时频处理单元读取所述平台时间的秒脉冲相位和时间信息，使所述载荷时间与之初步同步，等待二级恢复状态被触发后，根据二级恢复状态中的步骤完成载荷时间的秒脉冲信号的相位校正；

所述时频处理单元向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号和时间信息。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号包括：由所述平台时间系统和所述时频处理单元双向发送各自的秒脉冲信号，将所述平台时间的秒脉冲信号与所述载荷时间的秒脉冲信号进行相位对比，并且当两者的相位超过相位门限值时，校正所述平台时间的秒脉冲信号的相位；以及

所述三级恢复状态还包括：所述时频处理单元发送告警信息至所述实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块停止将所述载荷时间的秒脉冲信号用于比对平台时间的秒脉冲信号，并且所述实时时钟单元模块触发自主守时功能。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述三级恢复状态被触发的条件为所述载荷时间的秒脉冲相位与故障前的秒脉冲相位相比，误差大于50微秒，且所述导航卫星时间系统与其他卫星的星间链路无法建立链接，无法提供星座钟差。

可选的，在所述的导航卫星时间系统中，所述时间信息包括周内秒及周计数。

本发明还提供一种导航卫星时间系统，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括星载原子钟和时频处理单元，所述载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；

所述导航卫星时间系统所在的卫星位于一星座内，所述星座还包括其他卫星，正常情况下，所述星座内的各个卫星的载荷时间一致，均为星座时间，所述星座时间与所述地面站时间同步；

当所述时频处理单元发生故障时，所述导航卫星时间系统获取所述星座时间作为恢复后的载荷时间，所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正。

本发明还提供一种导航卫星时间系统，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统和平台时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括时频处理单元，所述载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；

其中所述平台时间系统包括实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块用于产生和维持所述平台时间，所述平台时间的时间信息从地面站时间中获取，所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号；

其中当所述时频处理单元发生故障时，所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时；

其中所述时频处理单元读取所述平台时间的秒脉冲相位和时间信息，作为初步载荷时间，所述时频处理单元与其所在星座中的其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述初步载荷时间获取前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对所述初步载荷时间进行相位矫正；以及

其中所述时频处理单元向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号和时间信息。

本发明还提供一种导航卫星时间系统的自主恢复方法，所述导航卫星时间系统的自主恢复方法包括：

产生和维持载荷时间的秒脉冲信号；

从地面站时间中获取所述载荷时间的时间信息；

在所述载荷时间系统中配置多个载荷时间备份模块，所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步；以及

当所述时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，其中所述一级恢复状态包括：

由所述时频处理单元比较多个所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，以执行所述载荷时

间的恢复，所述恢复包括：

由所述时频处理单元调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。

可选的，在所述的导航卫星时间系统的自主恢复方法中，所述导航卫星时间系统的自主恢复方法还包括：

当所述时频处理单元发生故障时，判断所述时频处理单元能否获取所述载荷时间备份模块输出的时间信息，若是，则触发所述一级恢复状态；

若否，则判断星间链路能否与其他卫星完成测距，若是，则触发二级恢复状态；以及

若否，则无法进入所述一级恢复状态和所述二级恢复状态，判断所述时频处理单元能否获取平台时间系统输出的时间信息，若是，则触发三级恢复状态，若否，则等待与地面站时间同步。

可选的，在所述的导航卫星时间系统的自主恢复方法中，所述二级恢复状态包括：所述导航卫星时间系统获取星座时间作为恢复后的载荷时间，所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正；

其中所述三级恢复状态包括：平台时间系统的实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时。

在本发明提供的导航卫星时间系统及其自主恢复方法中，通过时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，时频处理单元比较多个载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，当有两个或两个以上的载荷时间备份模块的时间信息和秒脉冲信号相位一致时，获取该时间信息和秒脉冲信号，以执行所述载荷时间的恢复，实现了在故障前后钟差信息没有发生变化，能够快速完成时间信息和秒脉冲信号的恢复，即使在时频相关单机故障且没有地面站的情况下，也可以进行即时恢复。

进一步的，通过选择性的触发一级恢复状态、二级恢复状态或三级恢复状态，实现了卫星受到干扰或故障且地面无法控制卫星的情况下，卫星能够通过优先级选择从载荷时间备份模块、星间链路时间校正或实时时钟单元模块中自主快速恢复载荷时间，保证授时功能的稳定性和可靠性，提高卫星系统的生存能力。

另外，本发明提出的导航卫星时间系统，利用载荷时间备份模块解决时频处理单元故障后的时间恢复，利用星间链路双向测距标校修正时间误差，解决载荷时间备份模块故障及星钟无法自主进行“钟跳”误差恢复的问题，利用平台自主守时解决导航卫星载荷时间备份模块及星间链路故障导致导航卫星时序紊乱、无法提供服务的问题，从整星层面设计时间恢复策略，按照载荷时间备份模块、星间链路双向测距和平台自主守时的优先级次序，进行时间系统恢复的方案设计，即使信号处理单元等载荷单元，及平台时间系统均损坏，也可以实现时间恢复，更加可靠。

本发明还提供了直接应用二级恢复进行导航卫星时间系统的自主恢复，并没有设置一级恢复的技术方案，其优势在于省去了载荷时间系统中的载荷时间备份模块的配置，只应用软件上的改进来实现时间恢复的目的，节约了硬件成本。

本发明还提供了直接应用三级恢复进行导航卫星时间系统的时间恢复，并没有设置一级恢复和二级恢复的技术方案，其优势在于通过平台自守时获取时间信息，快速恢复时间。

附图说明

图1是本发明一实施例的导航卫星时间系统自主恢复分级方案示意图；

图2是本发明一实施例的导航卫星时间系统的自主恢复方法示意图；

图中所示：10-载荷时间系统；11-时频处理单元；12～14-载荷时间备份模块；21～24-星间链路；30-平台时间系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的导航卫星时间系统及其自主恢复方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在授时现有技术中，地面站直接给用户提供授时服务会受到用户量、传输时间、精度及可靠性等方面的约束，如长波授时的范围最大在千公里，那么境外用户就没有办法获取到地面站时间了，另外基站授时精度在ms量级，无法满足高精度用户需求。对于北斗导航系统这样一个全球系统来说，通过卫星授时是最好的选择，所以时间系统的准确稳定可靠成了关键。

时间系统的建立包括基准频率信号的产生，即星载原子钟产生时钟信号，通过时频处理单元产生卫星基准频率信号，提供给各载荷单机；精密时间间隔的分发，即时频处理单元根据基准频率信号，经倍频后产生秒脉冲信号频率，以计数方式生成精密时间间隔，分发给所有载荷单机，使得所有载荷单机(如上行注入接收单元、信号处理发播单元、完好性监测单元等)都根据同一个时间间隔进行工作；时间信息的播发，即信号处理发播单元通过导航电文播发时间信息(周内秒、周计数)、钟差信息。

因此，时间恢复包括时间信息的恢复和时间间隔的恢复。时间信息通过周内秒和周内计数表示，时间间隔通过秒脉冲信号(PPS)表示每秒的间隔。导航卫星的时间除了上述时间内容外，还包括钟差，钟差是卫星时间相比地面站基准时间的一个偏差，用于辅助地面终端用户进行定位计算。因此时间恢复中，时间信息(周内秒、周计数)的恢复和时间间隔(秒脉冲信号)的恢复是对卫星时间系统自身的恢复，钟差信息的修正用于提供给地面用户。

本发明的核心思想在于提供一种导航卫星时间系统及其自主恢复方法，以实现卫星受到干扰或故障且地面无法控制卫星的情况下，快速恢复载荷时间，保证授时功能的稳定性和可靠性，提高卫星系统的生存能力。

为实现上述思想，本发明提供了一种导航卫星时间系统及其自主恢复方法，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括星载原子钟、时频处理单元及多个载荷时间备份模块，其中：载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；载荷时间的秒脉冲信号由所述星载原子钟和所述时频处理单元产生和维持；所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步；以及当所述时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，其中所述一级恢复状态包括：由所述时频处理单元比较多个所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，并执行载荷时间的恢复，其中所述恢复包括：由所述时频处理单元调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。

<实施例一>

本实施例提供一种导航卫星时间系统，如图1所示，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统10，所述载荷时间系统10用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统10包括星载原子钟、时频处理单元11，及多个载荷时间备份模块，如图1所示，例如载荷时间备份模块12、载荷时间备份模块13、载荷时间备份模块14，其中：载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；载荷时间的秒脉冲信号由所述星载原子钟和所述时频处理单元11产生和维持，所述载荷时间备份模块(载荷时间备份模块12、载荷时间备份模块13及载荷时间备份模块14)的时间信息与所述时频处理单元11的时间信息同步；以及当所述时频处理单元11发生故障时，判断时频处理单元11能否获取(载荷)时间备份模块，若是则触发一级恢复状态，其中所述一级恢复状态包括：由所述时频处理单元11比较多个所述载荷时间备份模块(载荷时间备份模块12、载荷时间备份模块13及载荷时间备份模块14)反向输出的时间信息和秒脉冲信号(1PPS)，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，并执行所述载荷时间的恢复，其中所述恢复包括：由所述时频处理单元11调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。一级恢复旨在故障前后钟差信息没有发生变化，能够快速完成时间信息和秒脉冲信号的恢复，且利用多个备份信息比较后实现时间的快速恢复，不受时频处理单元的单点影响。

具体的，在所述的导航卫星时间系统中，所述载荷时间系统还包括多个载荷单元，每个所述载荷时间备份模块均位于所述载荷单元之一中，即所述载荷单元中各具有一个载荷时间备份模块，所述载荷时间的秒脉冲信号由所述载荷单元进行备份，包括：由所述时频处理单元11将所述载荷时间的秒脉冲信号(1PPS)及时间信息分发给所述载荷单元；以及由所述载荷单元接收，并将所述载荷时间备份模块12、13、14的时间信息与所述时频处理单元11的时间信息同步，所述载荷时间备份模块12、13、14的时间信息和秒脉冲信号(1PPS)反向传输至所述时频处理单元11；所述载荷单元包括上行注入接收单元(包含所述载荷时间备份模块12)、信号处理发播单元(包含所述载荷时间备份模块13)及完好性监测单元(包含所述载荷时间备份模块14)，所述上行注入接收单元被配置为接收地面站时间的时间信息；信号处理发播单元被配置为通过导航电文播发所述载荷时间的时间信息及钟差信息；完好性监测单元被配置为监测所述载荷时间的时间信息及秒脉冲信号是否完好与准确；其中当上行注入接收单元、信号处理发播单元及完好性监测单元中任意两个单元反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲信号以执行载荷时间的恢复。

进一步的，在所述的导航卫星时间系统中，所述导航卫星时间系统所在的卫星位于一星座内，所述星座还包括其他卫星，其中在正常情况下，所述星座内的各个卫星的载荷时间一致，所述载荷时间均为星座时间，所述星座时间与所述地面站时间同步；当所述时频处理单元11发生故障，判断时频处理单元能否获取(载荷)时间备份模块，若是则触发一级恢复状态，若否则无法进入一级恢复状态，判断星间链路能否与其他卫星(它星)完成测距，若是则触发二级恢复状态，所述二级恢复状态包括：由所述导航卫星时间系统获取所述星座时间作为恢复后的载荷时间，以及由所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，如图1所示，星间链路21分别测量与星间链路22、星间链路23和星间链路24之间的距离；同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间(1PPS与时间信息)进行相位矫正。所述二级恢复状态被触发的条件为所述时频处理单元11和所述载荷时间备份模块12、13、14均不能产生、维持或备份正确的时间信息，且无法通过自备份的方式恢复所述载荷时间。

具体的，当基准频率发生相位跳变、频率跳变或卫星载荷无法从时间备份模块获取时间信息，通过本星星间链路获取卫星星座时间。由导航卫星星间链路观测原理可知，组网星座内，卫星之间两两建链进行信息交互。若本星作为已建链卫星出现了时间异常，在载荷系统单机重启且维持建链的情况下(钟差控制在50μs内)，首先在星座中暂时停止使用本星数据进行导航服务，其他卫星暂时停止本星测距值进行信息交换，然后启动星间链路星钟异常恢复机制，即将本星星间链路与它星(星2、星3、星4等)分别建链，进行星间测距和数据交互，获取星座的时间信息，利用星载时钟Kalman滤波器进行卫星钟差状态方程预测和观测模型修正，自主确定星钟的钟差和频偏，发送给载荷时频处理单元。一般在卫星设计中仅将钟差信息通过信号播发单元下发给地面，等待地面站的控制指令，在本实施例中，根据故障前后推算的钟差直接进行PPS相位校正，避免了等待地面站介入控制，在卫星处于境外或没有地面控制的情况下，快速完成时间系统故障恢复。可见，一级恢复和二级恢复均不需要地面站的控制。

另外，在所述的导航卫星时间系统中，所述导航卫星时间系统还包括平台时间系统30，所述平台时间系统30用于产生和维持平台时间，所述平台时间系统30包括实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块用于产生和维持所述平台时间；所述平台时间的时间信息从地面站时间中获取；所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元11的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号，具体包括：由所述平台时间系统30和所述时频处理单元11双向发送各自的秒脉冲信号(1PPS)，将所述平台时间的秒脉冲信号与所述载荷时间的秒脉冲信号进行相位对比，并且当两者的相位超过相位门限值时，校正所述平台时间的秒脉冲信号的相位。如图2所示，当所述时频处理单元11发生故障，判断时频处理单元能否获取(载荷)时间备份模块输出的时间信息，若是，则执行一级恢复，若否，则判断星间链路能否与其他卫星(它星)完成测距，若是，则执行二级恢复，若否，则无法进入一级恢复状态和二级恢复状态，判断时频处理单元能否获取平台(时间系统)输出的时间信息，若是，则触发三级恢复状态，执行三级恢复，若否，则等待地面控制。所述三级恢复状态包括：所述时频处理单元11发送告警信息至所述实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块停止将所述载荷时间的秒脉冲信号用于比对平台时间的秒脉冲信号(1PPS)，所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，其中利用平台时间的秒脉冲信号(1PPS)进行自主守时；所述时频处理单元11读取所述平台时间的秒脉冲相位(1PPS)和时间信息，使所述载荷时间与之初步同步，等待二级恢复状态被触发后，根据二级恢复状态中的步骤完成载荷时间的秒脉冲信号(1PPS)的相位校正；所述时频处理单元11向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号(1PPS)和时间信息。

具体的，在所述的导航卫星时间系统中，所述三级恢复状态被触发的条件为所述载荷时间的秒脉冲相位与故障前的秒脉冲相位相比，误差大于50微秒，且所述导航卫星时间系统与其他卫星的星间链路无法建立链接，无法提供星座钟差。在所述的导航卫星时间系统中，所述时间信息包括周内秒及周计数。

本实施例中的卫星时间的恢复方案采用多级恢复的策略，按照优先级次序，分为载荷时间自恢复、星间链路时间恢复和平台时间恢复，依次对应一级恢复、二级恢复和三级恢复。时间恢复包括时间信息(周内秒、周计数)的恢复、秒脉冲信号(1PPS)的恢复以及钟差信息的修正。

本实施例的卫星时间恢复方案设计从两个角度出发：1)在载荷时间系统10中增加时间备份模块12、13、14，作为自备份，2)将平台时间作为载荷时间系统10的备份。采用多级恢复的策略，按照优先级次序，分为载荷时间自恢复、星间链路时间恢复和平台时间恢复，依次对应一级恢复、二级恢复和三级恢复，恢复方案如附图1所示。时间恢复包括时间信息(周内秒、周计数)的恢复、秒脉冲信号(PPS)的恢复以及钟差信息的修正。

<实施例二>

本实施例还提供一种导航卫星时间系统，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统10，所述载荷时间系统10用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统10包括星载原子钟和时频处理单元11，所述载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；所述导航卫星时间系统所在的卫星位于一星座内，所述星座还包括其他卫星，正常情况下，所述星座内的各个卫星的载荷时间一致，均为星座时间，所述星座时间与所述地面站时间同步；当所述时频处理单元11发生故障时，所述导航卫星时间系统获取所述星座时间作为恢复后的载荷时间，所述导航卫星时间系统所在的卫星(星间链路21)与其他卫星(星间链路22～24)进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正。

若上述恢复方案无法实施，则实施上一实施例中的三级恢复状态，包括：所述平台时间系统30与所述时频处理单元11双向发送各自的秒脉冲信号，所述平台时间的秒脉冲信号与所述载荷时间的秒脉冲信号进行相位对比，当两者的相位超过相位门限值时，校正所述平台时间的秒脉冲信号的相位；当所述时频处理单元11发生故障时，所述时频处理单元11发送告警信息至所述实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块停止将所述载荷时间的秒脉冲信号用于比对平台时间的秒脉冲信号，所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时；

进一步的，所述时频处理单元11读取所述平台时间的秒脉冲相位和时间信息，作为初步载荷时间，所述星间链路21与其所在星座中的其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述初步载荷时间获取前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，发送给时频处理单元11，时频处理单元11对所述初步载荷时间进行相位矫正；所述时频处理单元11向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号和时间信息。

相比上一实施例，本实施例是直接应用二级恢复进行导航卫星时间系统的自主恢复，并没有设置一级恢复，本实施例的优势在于省去了载荷时间系统中的载荷时间备份模块的配置，只应用软件上的改进来实现时间恢复的目的，节约了硬件成本。

<实施例三>

本实施例还提供一种导航卫星时间系统，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统10和平台时间系统30，所述载荷时间系统10用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统10包括时频处理单元11，所述载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；所述平台时间系统30包括实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块用于产生和维持所述平台时间，所述平台时间的时间信息从地面站时间中获取；所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号，具体包括：所述平台时间系统30与所述时频处理单元11双向发送各自的秒脉冲信号，所述平台时间的秒脉冲信号与所述载荷时间的秒脉冲信号进行相位对比，当两者的相位超过相位门限值时，校正所述平台时间的秒脉冲信号的相位；如图2所示，当所述时频处理单元11发生故障时，判断，所述时频处理单元11发送告警信息至所述实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块停止将所述载荷时间的秒脉冲信号用于比对平台时间的秒脉冲信号，所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时；

进一步的，所述时频处理单元11读取所述平台时间的秒脉冲相位和时间信息，作为初步载荷时间，所述星间链路21与其所在星座中的其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述初步载荷时间获取前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，发送给时频处理单元11，时频处理单元11对所述初步载荷时间进行相位矫正；所述时频处理单元11向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号和时间信息。

相比上一实施例，本实施例是直接应用三级恢复进行导航卫星时间系统的自主恢复，并没有设置一级恢复和二级恢复，本实施例的优势在于通过平台自守时获取时间信息，快速恢复时间。

综上，上述实施例对导航卫星时间系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例四>

本发明还提供一种导航卫星时间系统的自主恢复方法，所述导航卫星时间系统的自主恢复方法包括：(所述载荷时间系统10的星载原子钟和时频处理单元11)产生和维持载荷时间的秒脉冲信号；从地面站时间中获取所述载荷时间的时间信息；将所述载荷时间系统10的各个载荷单元中均配置一载荷时间备份模块12、13、14；所述时频处理单元11将所述载荷时间的秒脉冲信号及时间信息分发给所述载荷单元，所述载荷单元接收，并将所述载荷时间备份模块12、13、14的时间信息与所述时频处理单元11的时间信息同步，所述载荷时间备份模块12、13、14的时间信息和秒脉冲信号反向传输至所述时频处理单元11；当所述时频处理单元11发生故障时，触发一级恢复状态，所述一级恢复状态包括：所述时频处理单元11比较多个所述载荷时间备份模块12、13、14反向输出的时间信息和秒脉冲信号，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，以执行所述载荷时间的恢复，其中所述恢复包括：由所述时频处理单元11调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。

本实施例的卫星时间恢复方案采用多级恢复的策略，按照优先级次序，分为载荷时间自恢复、星间链路时间恢复和平台时间恢复，依次对应一级恢复、二级恢复和三级恢复。时间恢复包括时间信息(周内秒、周计数)的恢复、秒脉冲信号相位(PPS)的恢复以及钟差信息的修正。

如图2所示，当所述时频处理单元11发生故障时，判断时频处理单元11能否获取(载荷)时间备份模块12、13或14输出的时间信息，若是，则触发所述一级恢复状态，执行一级恢复，若否，则判断星间链路21能否与它星(其他卫星的星间链路22～24)完成测距，若是，则触发所述二级恢复状态，执行二级恢复，以及若否，则无法进入一级恢复状态和二级恢复状态，判断时频处理单元11能否获取平台(平台时间系统30)输出的时间信息，若是，则触发三级恢复状态，执行三级恢复，若否，则等待地面控制，等待与地面站时间同步。

其中，所述二级恢复状态包括：所述导航卫星时间系统获取星座时间作为恢复后的载荷时间，所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正；所述三级恢复状态包括：平台时间系统的实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时。

在本发明提供的导航卫星时间系统及其自主恢复方法中，通过时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，时频处理单元比较多个载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，以三取二的策略完成所述载荷时间的恢复，实现了在故障前后钟差信息没有发生变化，能够快速完成时间信息和秒脉冲信号的恢复，即使在时频相关单机故障且没有地面站的情况下，也可以进行即时恢复。

进一步的，通过选择性的触发一级恢复状态、二级恢复状态或三级恢复状态，实现了卫星受到干扰或故障且地面无法控制卫星的情况下，卫星能够通过优先级选择从载荷时间备份模块、星间链路时间校正或实时时钟单元模块中自主快速恢复载荷时间，保证授时功能的稳定性和可靠性，提高卫星系统的生存能力。

另外，本发明提出的导航卫星时间系统，利用载荷时间备份模块解决时频处理单元故障后的时间恢复，利用星间链路双向测距标校修正时间误差，解决载荷时间备份模块故障及星钟无法自主进行“钟跳”误差恢复的问题，利用平台自主守时解决导航卫星载荷时间备份模块及星间链路故障导致导航卫星时序紊乱、无法提供服务的问题，从整星层面设计时间恢复策略，按照载荷时间备份模块、星间链路双向测距和平台自主守时的优先级次序，进行时间系统恢复的方案设计，即使信号处理单元等载荷单元，及平台时间系统均损坏，也可以实现时间恢复，更加可靠。钟跳是指秒脉冲信号的相位误差如果没有超过原子钟切换门限，就无法从工作钟跳至热备钟。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种导航卫星时间系统，其特征在于，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括星载原子钟、时频处理单元及多个载荷时间备份模块，其中：

载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；

载荷时间的秒脉冲信号由所述星载原子钟和所述时频处理单元产生和维持；

所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步；以及

当所述时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，其中所述一级恢复状态包括：

由所述时频处理单元比较多个所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，并执行载荷时间的恢复，其中所述恢复包括：

由所述时频处理单元调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。

2.如权利要求1所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述载荷时间系统还包括多个载荷单元，每个所述载荷时间备份模块均位于所述载荷单元之一中；

所述载荷时间的秒脉冲信号由所述载荷单元进行备份，包括：

由所述时频处理单元将所述载荷时间的秒脉冲信号及时间信息分发给所述载荷单元；以及

由所述载荷单元接收，并将所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步，并将所述载荷时间备份模块的时间信息和秒脉冲信号反向传输至所述时频处理单元。

3.如权利要求2所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述载荷单元包括：

上行注入接收单元，其被配置为接收地面站时间的时间信息；

信号处理发播单元，其被配置为通过导航电文播发所述载荷时间的时间信息及钟差信息；以及

完好性监测单元，其被配置为监测所述载荷时间的时间信息及秒脉冲信号是否完好与准确，其中当上行注入接收单元、信号处理发播单元及完好性监测单元中任意两个单元反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲信号以执行载荷时间的恢复。

4.如权利要求1所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述导航卫星时间系统所在的卫星位于一星座内，所述星座还包括其他卫星，其中在正常情况下，所述星座内的各个卫星的载荷时间一致，所述载荷时间均为星座时间，所述星座时间与所述地面站时间同步；

当所述时频处理单元发生故障且无法进入一级恢复状态时，触发二级恢复状态，所述二级恢复状态包括：

由所述导航卫星时间系统获取所述星座时间作为恢复后的载荷时间；以及

由所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正。

5.如权利要求4所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述二级恢复状态被触发的条件为所述时频处理单元和所述载荷时间备份模块均不能产生、维持或备份正确的时间信息，且无法通过自备份的方式恢复所述载荷时间。

6.如权利要求4所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述导航卫星时间系统还包括平台时间系统，所述平台时间系统包括实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块用于产生和维持所述平台时间；

所述平台时间的时间信息从地面站时间中获取；

所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号；

当所述时频处理单元发生故障，且无法进入一级恢复状态和二级恢复状态时，触发三级恢复状态，所述三级恢复状态包括：所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，其中利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时；

所述时频处理单元读取所述平台时间的秒脉冲相位和时间信息，使所述载荷时间与之初步同步，等待二级恢复状态被触发后，根据二级恢复状态中的步骤完成载荷时间的秒脉冲信号的相位校正；

所述时频处理单元向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号和时间信息。

7.如权利要求6所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号包括：由所述平台时间系统和所述时频处理单元双向发送各自的秒脉冲信号，将所述平台时间的秒脉冲信号与所述载荷时间的秒脉冲信号进行相位对比，并且当两者的相位超过相位门限值时，校正所述平台时间的秒脉冲信号的相位；以及

所述三级恢复状态还包括：所述时频处理单元发送告警信息至所述实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块停止将所述载荷时间的秒脉冲信号用于比对平台时间的秒脉冲信号，并且所述实时时钟单元模块触发自主守时功能。

8.如权利要求7所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述三级恢复状态被触发的条件为所述载荷时间的秒脉冲相位与故障前的秒脉冲相位相比，误差大于50微秒，且所述导航卫星时间系统与其他卫星的星间链路无法建立链接，无法提供星座钟差。

9.如权利要求7所述的导航卫星时间系统，其特征在于，所述时间信息包括周内秒及周计数。

10.一种导航卫星时间系统，其特征在于，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括星载原子钟和时频处理单元，所述载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；

所述导航卫星时间系统所在的卫星位于一星座内，所述星座还包括其他卫星，正常情况下，所述星座内的各个卫星的载荷时间一致，均为星座时间，所述星座时间与所述地面站时间同步；

当所述时频处理单元发生故障时，所述导航卫星时间系统获取所述星座时间作为恢复后的载荷时间，所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正。

11.一种导航卫星时间系统，其特征在于，所述导航卫星时间系统包括载荷时间系统和平台时间系统，所述载荷时间系统用于产生和维持载荷时间，所述载荷时间系统包括时频处理单元，所述载荷时间的时间信息从地面站时间中获取；

其中所述平台时间系统包括实时时钟单元模块，所述实时时钟单元模块用于产生和维持所述平台时间，所述平台时间的时间信息从地面站时间中获取，所述实时时钟单元模块根据所述时频处理单元的秒脉冲信号调整所述平台时间的秒脉冲信号；

其中当所述时频处理单元发生故障时，所述实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时；

其中所述时频处理单元读取所述平台时间的秒脉冲相位和时间信息，作为初步载荷时间，所述时频处理单元与其所在星座中的其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述初步载荷时间获取前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对所述初步载荷时间进行相位矫正；以及

其中所述时频处理单元向所述载荷单元发出校正指令，以校正所述载荷单元的秒脉冲信号和时间信息。

12.一种导航卫星时间系统的自主恢复方法，其特征在于，所述导航卫星时间系统的自主恢复方法包括：

产生和维持载荷时间的秒脉冲信号；

从地面站时间中获取所述载荷时间的时间信息；

在所述载荷时间系统中配置多个载荷时间备份模块，所述载荷时间备份模块的时间信息与所述时频处理单元的时间信息同步；以及

当所述时频处理单元发生故障时，触发一级恢复状态，其中所述一级恢复状态包括：

由所述时频处理单元比较多个所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号，并且当由所述多个载荷时间备份模块中的两个或两个以上的所述载荷时间备份模块反向输出的时间信息和秒脉冲信号的相位一致时，则获取该时间信息和秒脉冲相位，以执行所述载荷时间的恢复，所述恢复包括：

由所述时频处理单元调整自身的秒脉冲信号的相位，重新设置自身的时间信息，并将所述时间信息分发给载荷单元。

13.如权利要求12所述的导航卫星时间系统的自主恢复方法，其特征在于，所述导航卫星时间系统的自主恢复方法还包括：

当所述时频处理单元发生故障时，判断所述时频处理单元能否获取所述载荷时间备份模块输出的时间信息，若是，则触发所述一级恢复状态；

若否，则判断星间链路能否与其他卫星完成测距，若是，则触发二级恢复状态；以及

若否，则无法进入所述一级恢复状态和所述二级恢复状态，判断所述时频处理单元能否获取平台时间系统输出的时间信息，若是，则触发三级恢复状态，若否，则等待与地面站时间同步。

14.如权利要求13所述的导航卫星时间系统的自主恢复方法，其特征在于，所述二级恢复状态包括：所述导航卫星时间系统获取星座时间作为恢复后的载荷时间，所述导航卫星时间系统所在的卫星与其他卫星进行星间测距和数据交互，获取测距信息，同时根据所述载荷时间恢复前后的所述测距信息进行钟差拟合，推算所述载荷时间的偏差后，对恢复的所述载荷时间进行相位矫正；

其中所述三级恢复状态包括：平台时间系统的实时时钟单元模块触发自主守时功能，利用平台时间的秒脉冲信号进行自主守时。

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